Автор помещаемой ниже статьи «Электростатические громкоговорители» проф. Н. Н. Андреев является виднейшим специалистом в СССР в вопросах электроакустики, которая с каждым днем приобретает все большое и большее значение в радиовещании. Мы уже не удовлетворяемся тем, что громкоговоритель или телефон «говорят», мы предъявляем к ним все более и более строгие требования в отношении экономичности, мощности и в особенности в отношении уменьшения искажений.
Решение всех возникающих при этом проблем требует большой теоретической и лабораторной работы.
Проф. Н. Н. Андреев
Н. Н. Андреев в настоящее время является руководителем этой работы в наших крупнейших радиолабораториях — в Центральной лаборатории «Электросвязи» и в Государственной физико-технической лаборатории.
Н. Н. родился в 1880 г. и окончил в 1909 году Базельский университет со степенью доктора. В 1917 году получил степень магистра физики в 1-м Московском университете. С 1917 года — профессор Омского с.-х. института, а с 1920 — снова в Москве в 1-м и 2-м Госуд. университетах. В 1926 году переходит в Ленинград, в Госуд. физико-технич. лабораторию, а в 1929 году принимает в свое ведение акустический отдел Центральной лаборатории «Электросвязи».
Специально в области акустики Н. Н. работает с 1921 года.
Кроме многочисленных научных трудов, его перу принадлежат две популярные книжки «Физика» и «Энергия и законы ее освобождения».
Н. И. основал и редактировал в течение 5 лет (1921—1926) научно-популярный журнал «Искра».
Основное требование, предъявляемое в настоящее время к громкоговорителю — дать равномерное излучение звука на всех акустически важных частотах, т. е. в пределах от 30 до 10 000 колебаний в секунду («большие требования») или от 50 до 6 000 («малые требования»). При этом предполагается, что в пределах этих частот к громкоговорителю подводится постоянное напряжение.
Требование это настолько серьезно, что для соблюдения его обычно приходится в значительной степени поступаться коэффициентом полезного действия, что, впрочем, для обычных комнатных громкоговорителей не играет существенной роли.
Если громкоговоритель не удовлетворяет требованию равномерного излучения на всех частотах, то мы говорим, что он обладает искажениями первого рода; если же, например, в звуке громкоговорителя появляются частоты, не содержащиеся в токе, его питающем, то громкоговоритель дает искажения второго рода.
Для устранения искажений второго рода излучающий звук орган громкоговорителя (мембрана, диффузор) должен колебаться с малыми амплитудами, а поэтому для мощных громкоговорителей должен иметь значительную поверхность; устранение же искажений первого рода достигается главным образом смещением резонансной частоты излучающих звук частей в область или неслышимых низких (инфразвуковых) или же в область очень высоких неслышимых (ультразвуковых) частот. Применяется также ослабление резонансных частот путем увеличения затухания излучающих частей, или даже отфилътрованием электрической энергии соответственной частоты еще до поступления ее в громкоговоритель.
Среди всех типов громкоговорителей электростатические во многих отношениях позволяют наиболее полно удовлетворить вышеперечисленным требованиям.
Мысль использовать притяжение электрических зарядов на обкладках конденсатора, как средство заставить конденсатор издавать звуки, — весьма стара. Еще в 1863 году Виллиам Томсон наблюдал звучание конденсатора, а начиная с 1870 г. и до самого последнего времени длятся попытки построить на этом принципе передатчики звуковые — сперва телефоны, а потом и громкоговорители. В нижеследующем описании различных современных типов электростатических звуковых передатчиков мы познакомимся с теми затруднениями, которые встречаются при конструировании удовлетворяющего современным требованиям электростатического говорителя.
Прежде всего выясним, какие силы действуют между обкладками конденсатора. Изображенный на рис. 1 конденсатор имеет расстояние между пластинами d и площадь F. Сила К, действующая со стороны неподвижной пластины А на подвижную В, определяется формулой:
| K = 4,53·10—10 | F·V2 | гр. |
| d2 |
Здесь через V обозначен вольтаж, налагаемый на конденсатор. Например, при площади обкладок в 100 см2 зазоре d в 1 мм и вольтаже в 100 вольт мы получаем силу всего в 0,045 гр; по сравнению с магнитными силами, появляющимися между мембраной телефона и сердечником при тех же расстояниях, — эта сила очень мала. Именно, малость электростатических сил и является главным затруднением при постройке электростатических громкоговорителей. Другое важное обстоятельство, которое вытекает из приведенной выше формулы, — это необходимость наложения на электростатический громкоговоритель, кроме напряжения звуковой частоты, еще и постоянного напряжения. Так как напряжение входит в выражение для силы во второй степени, то при переменах направления напряжения знак силы не меняется, и она достигает максимального значения дважды, в то время как наложенное напряжение имеет один максимум и один минимум. Поэтому колебания обкладки В совершаются с частотою, вдвое большей по сравнению с налагаемым на конденсатор напряжением, — т. е. наступают искажения второго рода. Для избежания этого на конденсатор приходится налагать, кроме напряжения звуковой частоты, еще и постоянное напряжение, причем для отсутствия искажений приходится заботиться о том, чтобы постоянное напряжение было не менее чем раз в 10 больше напряжения звуковой частоты. Сила, действующая при этом на подвижную обкладку, вычисляется по формуле:
| K = 9,06·10—10 | F·V0·V1 | гр. |
| d2 |
где V0 есть постоянное напряжение, V1 — амплитуда переменного напряжения. Отсюда ясно видно, что для получения наибольшей силы действия необходимо строить электростатические громкоговорители с возможно меньшим зазором d и возможно большей площадью F; последнее важно потому, что вследствие целого ряда обстоятельств нельзя делать V0 и V1 больше известного предела, так что амплитуды колебания подвижной пластинки не могут быть достаточно велики для воспроизведения звука большой силы, и приходится заботиться о том, чтобы площадь, излучающая звук, была возможно больше. Искажений же первого рода легко избежать в электростатическом громкоговорителе, сделав достаточно малой массу излучающей звук мембраны — подвижной пластины В, с одной стороны, а с другой, сдвинув собственный период в область инфразвуковых частот.
Для возможности осуществления этих двух условий есть известные границы; слишком тонкая мембрана будет рваться и прилипать к подвижной пластинке А; перемещению же собственного периода мембраны в область инфразвуковых частот, достигаемому уничтожением упругости ее, мешает воздушная прослойка между А и В, всегда обусловливающая добавочную упругую силу.
Мы перейдем к описанию различных современных типов электростатических громкоговорителей, и тогда лучше выяснится, какими конструктивными особенностями их осуществляются вышеуказанные условия.
Прежде всего упомянем весьма остроумный по своей идее прибор, описанный в 1925 г. Лау, — это конденсатор из двух весьма тонких металлических листочков, разделенных также весьма тонкой бумажной прослойкой; конденсатору придана форма, приведенная на рис. 2 (бумажная изолирующая прослойка обозначена пунктиром, а металлические листочки сплошными линиями). Он включается в схему так, как изображено на рис. 3. Постоянное напряжение, налагаемое на конденсатор через сопротивления R1, R2, составляет 300 вольт; через конденсаторы С, С большой емкости поступает звуковое напряжение. Несмотря на простоту этого прибора — как видим, его может построить себе каждый радиолюбитель, — он оказался удовлетворительным, однако не настолько, чтобы завоевать себе значительное распространение, в особенности вследствие своей слишком ненадежной конструкции и неустойчивости действия. С точки зрения акустической следует отметить, что он передает низкие тона много хуже высоких. Это объясняется его высоким собственным периодом, обусловленным воздушной подушкой между обкладками. Значительны в нем и потери на трение воздуха между обкладками во время их колебаний. Чтобы устранить эти два обстоятельства, в большей части конструкций делают одну из обкладок конденсатора в виде твердой пластинки со многими щелями; таков изображенный на рис. 4 громкоговоритель, сконструированный известными изобретателями говорящего кино Фохтом, Массолем и Энглем.
На рис. 5 изображены детали этого репродуктора. Неподвижная обкладка «А» вся прорезана щелями; тонкий листочек алюминия «В», изолированный с внутренней стороны особым лаком, выдерживающим напряжение более 1 300 v, служит другою обкладкой. Весь громкоговоритель закрыт с двух сторон решетками «С» и «Д», охраняющими его и служащими ему электростатической защитой. Последнее нужно потому, что постоянное напряжение, налагаемое на обкладки, равно 600—1 000 вольт.
Можно действие громкоговорителя улучшить, заставляя силу действовать на подвижную мембрану с двух сторон, как это сделано в громкоговорителе французского инженера Тулона; схематически устройство этого прибора приведено на рис. 6.
Здесь подвижная пластина «В» из весьма тонкого алюминия помещается между двумя толстыми пластинами «АА» со многими отверстиями, постоянное напряжение, накладываемое на репродуктор, составляет около 2 400 вольт. Чтобы нельзя было коснуться проводников, находящихся под таким большим напряжением, только внутренние части пластин А сделаны из металла, наружные же из изолятора. Переменное напряжение налагается через конденсатор С на мебрану В и на обе пластины А. На подобную же схему двойного действия перешли в этом году и Фохт, Массоль и Энгель. Выгода ее заключается не только в двойной величине переменной силы, прилагаемой к подвижной пластинке В, но также и в том обстоятельстве, что постоянная слагающая сила (обусловленная постоянным наложенным напряжением) здесь равна нулю; это позволяет придавать мембране весьма малую упругость н массу, что, как мы уже сказали, весьма выгодно для устранения искажений первого рода.
Все вышеописанные и им подобные громкоговорители годятся только для небольших комнат. Кроме слабости их звука, недостатком их является необходимость высоких постоянных напряжений, поэтому, а также и вследствие других причин они не могли до сих пор конкурировать с громкоговорителями других типов, особенно с электродинамическими. Но недавно американец Колин Кайль предложил весьма остроумный принцип для улучшения работы электростатического громкоговорителя; по этому принципу удалось построить прибор весьма значительной мощности.
Как мы видели из вышеприведенной формулы, сила, действующая на подвижную пластину конденсатора, обратно пропорциональна квадрату расстояния между пластинами и, следовательно, выгодно возможно уменьшить это расстояние. Этому мешают два обстоятельства: во-первых, затруднительно изготовить прибор с такою степенью точности, чтобы подвижная пластина во всех точках равномерно отстояла на наименьшее возможное расстояние от неподвижной; во-вторых, само это расстояние должно быть выбрано таким, чтобы оно не пробивалось постоянным напряжением и чтобы были возможны достаточные амплитуды колебаний. Кайль предложил изгибать неподвижную пластину (А), как показано на рис. 7, а подвижную пластину делать из резины (J), покрытой тончайшим слоем (около 2,5 тысячных мм) металла (В). При таком устройстве пластин по близости мест их соприкосновения взаимное притяжение их очень велико вследствие весьма малого расстояния между ними, а пробой избегается хорошими изоляционными свойствами диэлектрика J. Как подвижная пластинка пригибается при колебаниях, показано на рисунке пунктиром; пластинка как бы вжимается в углубления неподвижной пластинки, несколько растягиваясь при этом. Как видим, свобода перемещений подвижной пластинки здесь значительная.
К этой счастливой идее лица, разрабатывавшие ее (Форд Гревс, Кранц и Крозье), присоединили тщательный расчет и разработку всех деталей, в результате чего получилась громкоговорительная установка, обладающая достаточной силой даже для весьма значительных помещений. Она состоит из 48 отдельных небольших (около 20 × 27 кв. см) громкоговорителей. Каждый из них сделан слегка выпуклым, для более легкой натяжки подвижной пластинки. Было проделано значительное количество опытов, чтобы установить, какова наивыгоднейшая форма волнистости неподвижной пластинки и какого размера должны быть в ней отверстия, чтобы уничтожить в достаточной мере трение воздуха. Характеристика громкоговорителя, т. е. отношение звуковой амплитуды к амплитуде переменного напряжения на разных частотах, весьма интересна: она неизменна в области частот от 100 до 1 000, затем значительно поднимается до 5 000, И от 5 000 до 10 000 остается почти неизменной. Это обстоятельство не представляет собою недостатка, если последовательно громкоговорителю включить соответственно подобранное сопротивление; тогда отношение напряжения на громкоговорителе к напряжению, даваемому источником тока звуковой частоты, будет падать с повышением частоты, компенсируя тем вышеуказанные особенности отдачи громкоговорителя.
Постоянное напряжение, налагаемое на конденсатор громкоговорителя — 500—600 v; легко заметить, что в этой системе его приходится выбирать, не только считаясь с пробивным напряжением изолятора и прилипанием пленки к волнистой стенке, но и принимая во внимание еще одно обстоятельство: именно, уменьшается при прилипании пленки воздушный объем в ячейке под нею, поэтому повышается упругость воздуха и собственный период пленки, т. е. изменяется частотная характеристика громкоговорителя. Все это было учтено конструкторами и в результате им удалось сконструировать достаточно мощный электростатический репродуктор, в достаточной степени удовлетворяющий тем требованиям, которые были перечислены выше.
